CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU, PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẪU ACTUAATOR VÀ ỨNG DỤNG
5.2. Infrared detector array (Mảng dò hồng ngoại)
Nhiệt điện là một trong những nguyên tắc hoạt động tốt nhất để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ. Do đó, tinh thể và gốm số lượng lớn đã được sử dụng trong nhiều năm để chế tạo máy dò hồng ngoại nhiệt. Chúng đã và vẫn đang được áp dụng để đo nhiệt độ không tiếp xúc, máy dò an ninh (báo động kẻ xâm nhập) và cảm biến sự hiện diện của con người. Đối với các thiết bị bán dẫn, máy dò nhiệt có khả năng cạnh tranh trong khoảng bước sóng quan trọng từ 8–12μNmatm. Điểm hấp dẫn đặc biệt của chúng nằm ở chỗ chúng không cần làm mát. Máy dò nhiệt quá chậm để được sử dụng trong chụp ảnh hồng ngoại với gương quét. Tuy nhiên, chúng đủ nhanh nếu mảng hai chiều (2D) có thể được thực hiện. Trong trường hợp này, tốc độ đọc cho mỗi pixel giống với tốc độ khung hình (30–50 Hz). Các kỹ thuật gia công vi mô bề mặt kết hợp với sự lắng đọng màng mỏng của màng mỏng nhiệt điện cho phép thực hiện các mảng 2D như vậy, theo cách nguyên khối, trực tiếp trên chip đọc rad. Trong nghiên cứu này tập trung vào một cấu trúc đơn giản hơn, một mảng tuyến tính 1×64 (hoặc 1×50) cho máy quang phổ hồng ngoại.
Với công suất nhiệt nhỏ (H), màng mỏng có lợi thế đáng kể so với các máy dò nhiệt điện khối. Lý do là đáp ứng ở các tần số cao hơn hằng số thời gian nhiệt nghịch đảo H/G, trong đó G là độ dẫn nhiệt, tỷ lệ với 1/H. Tuy nhiên, G phải đủ nhỏ để hằng số thời gian nhiệt nghịch đảo thực sự thấp hơn hoặc bằng với tần số hoạt động (thông thường là tần số bộ cắt). Để hoạt động ở vài chục hertz, độ dẫn nhiệt phải khá nhỏ để đạt được điều
kiện này. Do đó, vai trò của các kỹ thuật vi cơ silicon là cung cấp khả năng cách nhiệt tốt.
Silicon là một chất dẫn nhiệt quá tốt và do đó là một loại màng gốm được chọn để mang các nguyên tố nhiệt điện. Màng bao gồm một màng LPCVD Si3N4 phát triển trên oxit nhiệt (SiO2). Độ dày được chọn để bù cho các ứng suất cơ học của các màng này. Vì những màng này cũng được phủ lên mặt sau của tấm mỏng được đánh bóng hai mặt, nên chúng cũng được dùng như một mặt nạ để khắc mặt sau trong KOH. Điện cực đáy và màng nhiệt điện (PZT15/85) được lắng đọng tương ứng bằng phương pháp phún xạ và sol-gel. Điện cực trên cùng được lắng đọng và tạo hoa văn bằng kỹ thuật nhấc lên trước khi lớp thạch anh được lắng đọng bằng phún xạ để giảm khả năng ký sinh bên dưới các miếng đệm tiếp xúc. Cửa sổ để truy cập các điện cực trên cùng được mở bằng phương pháp khắc ion phản ứng CF4. Các phần tử PZT trên phần màng được ăn mòn tự do trong dung dịch HCl: F, chỉ để lại các cầu nối hẹp giữa các phần tử và phần silicon lớn, theo
yêu cầu để tách phần dưới và phần dẫn trên. Điện cực đáy bạch kim được loại bỏ giữa các phần tử bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Kỹ thuật ăn mòn này không tấn công vật liệu màng. Sau khi lắng đọng và tạo khuôn cho các đường dây dẫn, miếng đệm (Au/Cr) và lớp hấp thụ (xem hình dưới)
Black platinum lắng đọng điện hóa học phát triển trên điện cực trên cùng Cr–Au trên ngăn xếp lớp PZT/Pt/Ta/Si3N4/SiO2
silicon được loại bỏ bên dưới các phần tử bằng cách ăn mòn mặt sau, như được xác định bởi một cửa sổ trong lớp nitrua mặt sau, để thu được kết quả như trong hình
Cấu trúc mặt cắt ngang điển hình của các phần tử nhiệt điện của một mảng tuyến tính trên một màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp vi cơ. Các phần tử được tiếp xúc với đệm theo hướng khác với hướng nhìn thấy trong mặt cắt ngang này.
Các bộ tách sóng nhiệt vốn có nhu cầu hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Một tấm phim Black Platinum được sử dụng làm chất hấp thụ. Black Platinum biểu hiện hình thái đuôi gai và phát triển ở một số mật độ và nồng độ dòng điện nhất định trong bể điện hóa.
Màng dày 0,9μNmatm với độ dẫn điện riêng là 2 Wm−1K−1 giúp cách nhiệt khá tốt. Màng mỏng PZT15/85 thường có hệ số nhiệt điện là 170μNmatCm−2K−1 và hằng số điện môi tương đối là 220. Một dãy mảng đầu tiên có 12 phần tử gồm 0,36 mm2cho đáp ứng điện áp tốt ở 1 Hz của 800 VW−1trong không khí và 3000 VW−1 trong chân không. Các hằng số thời gian nhiệt khá dài là 28 ms trong không khí và 104 ms trong chân không đã thu được. Sự dẫn nhiệt lớn hơn nhiều đối với hoạt động trong không khí là do sự truyền nhiệt trong không khí giữa màng và ổ cắm thiết bị (khoảng cách 0,4 mm). Ở tần số cao hơn, phép đo dòng điện được ưu tiên. Ở 30 Hz, đáp ứng dòng điện lên tới 15–20μNmatAW−1 chỉ với những thay đổi nhỏ như là một hàm của áp suất không khí. Nguyên nhân thứ hai là do trên hằng số thời gian nhiệt nghịch đảo, đáp ứng dòng điện được xác định bởi công suất nghịch nhiệt và không còn bởi tính dẫn nhiệt.
Các phần tử nhỏ hơn (0,125 mm2) của các mảng lớn hơn cho thấy đáp ứng điện áp nhỏ hơn ở tần số thấp (460 V W−1). Phản hồi hiện tại (16μNmatAW−1) gần như giống nhau.
Phát hiện hiện tại ở tần số chopper 10 Hz được chọn làm chế độ hoạt động cho máy quang phổ khí. Nguồn IR là một dây tóc nóng đơn giản. Phép đo quang phổ hấp thụ đối với CO2 và CO đã được chứng minh, xem hình 11. Công suất tương đương với độ ồn thấp 1 nW Hz−1/2 cho phép phát hiện một vài ppm CO2, với điều kiện là thiết bị điện tử không làm tăng mức độ nhiễu.
Hình 1μm PZT 53/47) và stato 1μm PZT 53/47) và stato . Phổ hấp thụ CO2μm AlN). Các điện áp phân cực dc được đo bằng dãy nhiệt điện màng mỏng.
(Từ đường cong dưới cùng, 350 ppm đến đường cong trên cùng, 31μm PZT 53/47) và stato ppm.)
CHƯƠNG 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] KK Sappati, S Bhadra, “Piezoelectric polymer and paper substrates: a review,” 2018.
[2] Z Li, L Zhao, X Yu, “A novel stick-slip piezoelectric actuator based on two- stage flexible hinge structure,” 2020.
[3] TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, “Design, analysis, and experimental investigation of a single-stage and low parasitic motion piezoelectric actuated microgripper,” 2020.
[4] S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, “Development of a two-DOF inertial rotary motor using a piezoelectric actuator constructed on four bimorphs,”
2021.
[5] Z Xu, H Huang, J Dong, “A stick-slip piezoelectric actuator with measurable contact force,” 2020.
[6] X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, “Piezoelectric actuators and motors: materials, designs, and applications,” 2020.
[7] Digvijay S. Raghunvanshi, Steven I. Moore, Andrew John Fleming, Yuen Kuan Yong, "Electrode Configurations for Piezoelectric Tube Actuators With Improved Scan Range and Reduced Cross-Coupling," 2020.
[8] S. M. Afonin, "Structural-Parametric Model of Electromagnetoelastic Actuator for Nanomechanics, " 2018.
[9] K. Srinivasa Rao, Md. Hamza1, P. Ashok Kumar1, K. Girija Sravani,
“Design and optimization of MEMS based piezoelectric actuator for drug delivery systems,” 2019
[10] Jingnan Cai, Fangxin Chen, Lining Sun, Wei Dong, “Design of a Linear Walking Stage based on Two Types of Piezoelectric Actuators”, 2021.
[11] Jiafeng Yao, Junjie Cai, Yili Hu, Jianming Wen, Nen Wan, Hao Wang, and Jianping Li, “An Umbrella-Shaped Linear Piezoelectric Actuator Based on Stick- Slip Motion Principle”, 2019.
[12] Ahsan Ali, Riffat Asim Pasha, Hassan Elahi, “Investigation of Deformation in Bimorph Piezoelectric Actuator: Analytical, Numerical and Experimental
Approach”, 2019.